Guides d'onde en semi-conducteurs pour la conversion de fréquence dans l'infrarouge

Abstract

The mid-infrared region of the electromagnetic spectrum is very attractive for various applications, including safety and defence. However, most of the mature sources do not meet every need regarding efficiency, compactness and wavelength range. The detection of these wavelengths is also limited by the performances of the detectors, which are noisier than visible sensors. Both of these topics can benefit from nonlinear optics and its wavelength conversion potential. By exploiting in particular second-order nonlinear interactions as well as the properties of some semiconductor materials for guided frequency conversion, this work prepares the integration of future components in the mid-infrared.The first part of this thesis focuses on the design and characterisation of orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides for broadband mid-infrared generation. These structures should be adapted to fiber coupling around 3 µm and have low losses. The second part aims at designing and fabricating orientation-patterned gallium phosphide (OP-GaP) waveguides to convert infrared light towards visible wavelengths, and more specifically for frequency doubling at 1.5 µm. Our main goal with these new components is to find a design suitable to these applications and compatible with the technological restrictions linked to fabrication.The work has led to the fabrication of OP-GaAs waveguides demonstrating a state-of-the-art level of losses in the mid-infrared as well as a potential for broadband generation. They also allowed the observation of parametric generation. These first characterisations resulted in the design of new components that are better adapted to our experimental requirements. On the other hand, various options have been explored to develop the fabrication steps of OP-GaP waveguides. Several technological barriers related to the fabrication of orientation-patterned guiding structures in this material have been lifted, thus leading to the development of different devices, in which we observed phase-matched second harmonic generation.L’infrarouge moyen est une zone du spectre électromagnétique indispensable à de nombreuses applications, notamment dans le domaine de la sécurité et de la défense. Néanmoins, la plupart des sources matures ne couvrent pas tous les besoins en termes d’efficacité, de compacité ou de plage de longueurs d’onde. La détection dans cette même gamme du spectre électromagnétique est également limitée par les performances des détecteurs qui sont plus bruités ou coûteux que leurs équivalents visibles. Ces deux thématiques peuvent s’appuyer sur l’optique non-linéaire et ses capacités de transposition de longueurs d’onde. En exploitant en particulier les phénomènes non-linéaires du second ordre ainsi que les propriétés de certains matériaux semiconducteurs pour recourir à la conversion de fréquence en configuration guidée, ce travail prépare l’intégration de futurs composants pour le moyen-infrarouge.Le premier volet de la thèse est axé sur la conception et la caractérisation de guides d’onde à orientation périodique en arséniure de gallium (OP-GaAs) pour la génération de spectres larges dans le moyen-infrarouge, adaptés à un couplage fibré autour de 3 µm et présentant de faibles pertes. Le second vise la conception et la fabrication de guides d’onde à orientation périodique en phosphure de gallium (OP-GaP) pour la conversion de signaux infrarouges vers le visible et plus particulièrement le doublage de fréquence à 1,5 µm. Pour ces nouveaux composants, notre premier objectif est de trouver des géométries de guides compatibles avec ces applications et avec les contraintes technologiques de fabrication. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont mené à la fabrication de guides d’onde OP-GaAs montrant un niveau de pertes dans le moyen-infrarouge à l’état de l’art ainsi qu’un potentiel de génération de spectres larges, dans lesquels de la génération paramétrique a pu être observée. Ces premières caractérisations ont permis la conception de nouveaux composants mieux adaptés à nos conditions expérimentales. D’autre part, diverses pistes ont été explorées pour mettre au point les étapes de fabrication de guides d’onde OP-GaP. Celles-ci ont permis de lever plusieurs verrous liés à la fabrication de structures guidantes à orientation périodique dans ce matériau et ont abouti au développement de différents composants dans lesquels de la génération de second harmonique accordée en phase a pu être observée